新建機房節(jié)能設計需建立能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)

中國電信股份有限公司上海研究院移動寬帶互聯(lián)網(wǎng)部沈世錦 方劍

建立完善有效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)來實時掌握總體能耗數(shù)據(jù)，為能源預算管理提供參考，從而逐步實現(xiàn)對機房能耗的精確化管理。

運營商業(yè)務量和網(wǎng)絡規(guī)模快速擴張，導致能源的消耗持續(xù)增加。能耗增長高于收入增長幅度，運營成本不斷增加，亟待得到嚴格控制，節(jié)能減排任務艱巨。

核心設備動力系統(tǒng)成倍增長和通信機房耗能巨大已成為節(jié)能降耗的中心問題。根據(jù)對機房能耗結(jié)構(gòu)統(tǒng)計，空調(diào)系統(tǒng)用電占40%，通信設備用電占45%，電源系統(tǒng)占10%，照明及其他用電占5%。因此，規(guī)模推廣節(jié)能效果明顯的機房建筑、空調(diào)、電源等配套基礎設施的節(jié)能技術改造，將是未來幾年電信業(yè)節(jié)能減排的工作重點，綠色機房的建設將成為節(jié)能減排技術創(chuàng)新的重要驅(qū)動力。

綜合考慮空調(diào)節(jié)能

空調(diào)系統(tǒng)是機房能耗大戶，空調(diào)制冷系統(tǒng)是由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。從空調(diào)的工作循環(huán)來看，只有運行在最佳的工況和條件，才能發(fā)揮空調(diào)的最大制冷量，達到空調(diào)節(jié)能的目的。空調(diào)冷源應根據(jù)建筑物空氣調(diào)節(jié)規(guī)模、用途、冷熱負荷、以及地區(qū)氣象條件、能源結(jié)構(gòu)、政策、價格及環(huán)保規(guī)定等，通過綜合論證確定，達到節(jié)約能源，降低運行費用的目的。

根據(jù)傳統(tǒng)空調(diào)冷源實際能耗分析表明，小型系統(tǒng)（總冷負荷小于1200kW）采用風冷系統(tǒng)的總能耗較低；大型系統(tǒng)（總冷負荷大于1200kW）采用水冷系統(tǒng)的總能耗較低。不同冷負荷的機房推薦選用的空調(diào)冷源形式（如表1），選用時應結(jié)合現(xiàn)場條件和建設、運行成本的經(jīng)濟性綜合考慮。

對于空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)未端形式，選擇適用于不同密度機房的空調(diào)系統(tǒng)常見末端形式（如表3）。根據(jù)不同的機房熱密度，分別采用全室空調(diào)、冷/熱通道封閉、水冷背板、液體冷卻等方式。對于高密度機房，整體式空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能效低，個性化冷卻或選用附帶冷卻功能的電子信息設備是有效的解決方案。

利用空調(diào)自然冷源

過渡季節(jié)和冬季利用室外冷空氣作為自然冷源具有節(jié)能意義。自然冷源的利用形式主要有直接引用室外新風、間接式換熱、熱管/蒸汽壓縮復合制冷、冷卻塔供冷等。采用自然冷源能夠減少電制冷的耗電量，應充分利用自然冷量為機房空調(diào)提供冷源。

表1 機房常用空調(diào)冷源比較

表2 空調(diào)冷源選用推薦

表3 各類機房適用的空調(diào)系統(tǒng)末端形式

在長江中下游地區(qū)，由于其新風有大量時間處在0~18℃的最佳利用段里，且相對濕度較高，比較適合直接引入室內(nèi)。新風經(jīng)過處理直接引入機房，雖然會有除塵和加濕量大等問題，但由于系統(tǒng)簡單，便于實現(xiàn)，且冷量隨風量增大而增大，有很大的可用價值，是效率最高的方法。

例如某運營商數(shù)據(jù)機房，主機房面積不到400平方米，梁下凈高約為3.5米。針對機房采用新風節(jié)能方式進行空調(diào)設計，以滿足100架機柜，每機架發(fā)熱量2KW，總發(fā)熱量（冷負荷）為200KW的要求。考慮到該機房空間寬敞，便于安裝新風節(jié)能設備，故采用兩臺新風機組（內(nèi)置加濕器），提供2×25000m3/h風量。經(jīng)測算，該設備啟用后，同比節(jié)能達到30%左右。

此外，某運營商IDC機房進行空調(diào)改造試驗，采取將室外新風冷源直接引入機房的方式，在機房內(nèi)安裝5臺新風混風型節(jié)能系統(tǒng)，同時安裝3臺大風量高余壓濕膜加濕機組。對引入的新風統(tǒng)一進行凈化處理，保證引入機房新風灰塵粒子濃度達到A級。利用室外環(huán)境天然低溫冷源的新風空氣與機房內(nèi)回風空氣混合，然后再送到機房達到消除室內(nèi)余熱的目的，并根據(jù)機房發(fā)熱負荷的變化調(diào)節(jié)進風量，保證機房內(nèi)的溫度在要求的范圍內(nèi)；在室外環(huán)境溫度較低時，可以部分或全部取代傳統(tǒng)機房專用空調(diào)工作，從而降低了能源的消耗，有效實現(xiàn)了節(jié)能的目標。

高壓直流供電高效節(jié)能

合理計算、選擇變壓器容量及配置數(shù)量。變壓器容量和數(shù)量應根據(jù)負荷情況，綜合考慮投資和年運行費用，對負荷合理分配。負載率過低或過高，都將使變壓器損耗明顯增大。根據(jù)調(diào)研，由于在通信電源設計時，變壓器一般都是按主備用互為冗余的形式成對配置，正常運行時，單臺變壓器的負載率一般不會超過50%，因此變壓器的經(jīng)常性負載宜達到變壓器額定容量的60%。同時，在設計時可考慮變壓器容量分期由小而大逐步投入，并根據(jù)負荷的分布和容量、供電距離、用電設備特點、機房環(huán)境等因素，合理明確負荷等級，確定供電形式。

采取高壓直流供電。采用高壓直流供電技術，對于直流電源系統(tǒng)而言，因其采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)輸出負載的大小，由監(jiān)控模塊、監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場值守人員靈活控制模塊的開機運行數(shù)量，使整流器模塊的負載率始終保持在較高的水平，從而使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率保持在較高的水平，比傳統(tǒng)UPS能耗下降約20%。

高壓直流系統(tǒng)的優(yōu)點：

1.系統(tǒng)可靠性高。

傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)僅依靠UPS主機間冗余備份來提高系統(tǒng)可靠性。而高壓直流系統(tǒng)內(nèi)部含有多個高頻開關整流模塊，模塊與模塊之間形成冗余備份外，由于系統(tǒng)采用直流為后級設備供電，故系統(tǒng)后備蓄電池組可直接為負載供電，即系統(tǒng)整流模塊與電池也形成冗余備份。同時高壓直流系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的逆變回路，使得供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡潔，不僅節(jié)約了建設成本，更減少了傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)逆變回路、STS切換開關等單點故障隱患。

根據(jù)對機房能耗結(jié)構(gòu)統(tǒng)計，空調(diào)系統(tǒng)用電占40%，通信設備用電占45%，電源系統(tǒng)占10%，照明及其他用電占5%。

2.系統(tǒng)維護改造更簡易。

傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)擴容改造時涉及到電源的頻率、電壓、相位等問題，所以改造風險較大。而高壓直流系統(tǒng)的擴容改造較之就簡便很多。首先高壓直流系統(tǒng)采用高頻整流模塊，模塊支持熱插拔，當部分模塊發(fā)生故障時，可簡便的更換整流模塊不會影響整個系統(tǒng)的運行。同時整套系統(tǒng)改造割接時，只需注意電壓等級、電壓極性相同即可，系統(tǒng)改造擴容更簡易。

3.系統(tǒng)效率高，節(jié)能效果顯著。

根據(jù)現(xiàn)行《通信用240V直流供電系統(tǒng)技術要求》，高壓直流系統(tǒng)效率可達92%。而根據(jù)近階段高壓直流系統(tǒng)設備使用結(jié)果，多數(shù)設備交流進線端功率因數(shù)不小于99%。同時高壓直流系統(tǒng)采用高頻整流模塊，隨著機房負荷逐步增加，可適時增加整流模塊。而且高壓直流系統(tǒng)整流模塊如傳統(tǒng)-48V直流系統(tǒng)整流模塊一樣均擁有“休眠”功能，系統(tǒng)可時刻偵測后級負載用電情況。在后級負載用電量變化不大的情況下，系統(tǒng)監(jiān)控模塊可適當?shù)厥共糠珠e置整流模塊進入“休眠”狀態(tài)，有效提高系統(tǒng)負載率。

對于機房照度和照明設備選擇，機房內(nèi)可根據(jù)視覺作業(yè)要求，確定合理的照度標準值，宜采用整體通行照明與局部工作照明相結(jié)合的方式。根據(jù)規(guī)范機房照明照度標準500lx，LPD目標值15W/m2，通行照明照度標準50lx，LPD目標值4W/m2。燈具宜選用熒光燈、節(jié)能燈、金鹵燈、LED燈等高效節(jié)能的設備。

建立完善能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)

分析機房能耗的組成，除了機房內(nèi)的主要能耗來源空調(diào)、電源，還有建筑節(jié)能，要合理選址布局節(jié)能。通過規(guī)劃階段對建筑的合理選址布局，實現(xiàn)建筑節(jié)能。首先，按照相關規(guī)定對通信建筑進行合理選址，避免因復雜地形條件帶來的基礎施工費用大幅提高；其次，選擇最佳朝向或接近最佳朝向，避開夏季最大日照朝向、充分利用冬季日照和夏季自然通風，并避開冬季主導風向，有利于建筑冬季保溫、夏季隔熱和自然通風，可大幅節(jié)約建筑采暖、制冷和機械通風帶來的能耗；最后選擇交通便利，電力管線引入方便、傳輸纜線出入方便，周邊無高大密集建筑的區(qū)域，可節(jié)約維護成本，并使其周邊具有良好的綠化和通風條件。

此外，還有圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能。建筑圍護結(jié)構(gòu)包括屋面、墻體、門窗、地面等，通過合理設計建筑圍護結(jié)構(gòu)，降低建筑的體形系數(shù)，可有效提升熱工性能，從而實現(xiàn)節(jié)能減排。首先，根據(jù) GB50189-2005《公共建筑節(jié)能設計標準》，通信建筑設計應控制其體形系數(shù)，較小的體形系數(shù)有利于建筑實現(xiàn)保溫隔熱。其次目前節(jié)能效果較好的屋面形式包括架空型屋面、種植屋面和節(jié)能型保溫材料屋面等，其中架空型屋面主要應用在夏熱冬暖或炎熱地區(qū)，種植屋面具備保溫和綠化等優(yōu)點，應用前景廣闊，但不適合在嚴寒地區(qū)采用。第三墻體保溫形式包括外保溫、內(nèi)保溫、自保溫等，目前節(jié)能效果最好的保溫形式是外墻外保溫形式。最后通過合適的窗墻比、在規(guī)定限制下設置門窗玻璃遮陽系數(shù)、確保門窗的透光率，提高門窗的氣密性等手段，做好建筑外門窗的保溫隔熱設計。

同時，考慮到熱反射涂料上，可將熱反射涂料集反射、輻射與空心微珠隔熱于一體，經(jīng)初步測算，熱反射涂料隔熱效率約 70%；另外，熱反射涂料還具有高效降溫、防水防潮、防紫外線老化、耐酸堿、防腐等優(yōu)點。熱反射涂料可以涂刷于屋頂、墻體表面。建議在夏熱冬冷(暖)地區(qū)中需夏季放熱、通風降溫的通信建筑中積極推進熱反射涂料的應用。在嚴寒和寒冷地區(qū)不建議采用。

最后，為了進一步正確地評估機房能耗的使用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，有必要建立一套完善有效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過分散計量裝置采集原始電力能耗數(shù)據(jù)后進行匯總，并根據(jù)不同類型機房、不同業(yè)務、不同設備的能耗情況，構(gòu)建電力能耗基礎數(shù)據(jù)庫，在分析能耗特征和現(xiàn)狀的基礎上，結(jié)合業(yè)務發(fā)展和區(qū)域特征，形成各類能耗統(tǒng)計報表。通過這個系統(tǒng)來實時掌握總體能耗數(shù)據(jù)，檢驗節(jié)能技術的有效性和實用性，為能源預算管理提供參考，從而逐步實現(xiàn)對機房能耗的精確化管理。